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摘要：在机场地基处理方法中，强夯法因其适用广泛、设备制作简单及施工工艺简单等诸多优点得到了广泛地应用。然而检测强夯法处理地基的效果却非常麻烦，现有的检测方法大都会对地基产生损伤。本文根据物体振动频率与物体密度间的关系，设计进行强夯法模拟试验，模拟不同的夯击能级以及土样性质的夯击过程，来找到土体压实度与夯击时土体所产生的振动频率之间的关系及规律，为实现夯击时土体压实度的实时反映作基础。
关键词：强夯法；压实度；实时反馈
1 强夯法的特点及研究现状
近年来，随着我国“十三五”规划地有序开展，新建机场如雨后春笋般涌现，更有越来越多的机场正在建设当中。在机场建设过程中，最首要、也是最重要的工作就是跑道地基的处理，如果跑道的地基处理不当，那么将会直接影响到未来机场的运行，甚至给机场的安全带来隐患。跑道地基处理的方法有很多种，比如换填法、重锤夯实法、强夯法、振冲法、预压法等等，强夯法以其独特的优点成为了处理机场跑道地基最常用的几种方法之一。在强夯法施工过程中，判断夯击工作是否完成的依据是地基参数达到了一定标准。然而确定地基参数通常需要消耗大量的人力成本以及时间成本，所以确定夯击工作是否完成极不方便，通常都会选择多次夯击以保证土基达到相应强度，因此容易造成人力、物力的浪费。
关于强夯法处理后的地基参数检测问题，国内外已经有学者进行了研究，早在1970年，Wetzel[1]在尺寸长宽高均为120cm的立方体容器中分别装入不同类型的砂，通过在夯锤底部及砂土不同深度处安装加速度计，发现了砂土表面接触应力和深层土的应力分布随时间变化。还有比较经典的研究是Takada N团队做的强夯离心模型试验，该试验通过缩尺试验数据与现场夯击的数据作对比，发现夯实深度与锤击数的平方根、錘的动量成正比，与夯锤底的面积大小成反比。国内对于强夯法的系统性研究是从21世纪开始起步的。2002年，费香择[2]团队通过对黄土进行强夯法试验研究，得出了强夯法加固深度的计算公式；2017年，陈朋通过强夯室内模型试验，借助Matlab软件对加速度信号进行频谱分析，发现随着夯锤能级的提高，振动波主频频率逐渐变大且其它频率逐渐变多。然而众多研究没有从施工方角度出发，找出夯击效果与夯击次数之间的联系，对实际工程的指导意义不够明确，且截止目前，实际强夯工程中还没有一套成熟、完整的研究成果来支撑，往往通过经验来施工。因此本文决定设计模拟夯击试验，利用加速度光纤光栅传感器测量夯击过程中土体振动频率变化，寻找到夯击次数与土体振动频率的关系，从而将夯击次数与压实度进行关联，实现夯击效果的实时反馈。
2 试验设计
（1）为了模拟夯击过程，制作一个小型夯击装置来进行夯击操作，夯击装置由两部分组成：带有圆形底座的夯锤导轨和夯锤，其中导轨的底座直径为10cm，夯锤的重量为5kg。在实际施工过程中，夯锤的直径一般为1～3m，重量一般为10～25t。通过控制试验相似比，将夯锤的重量和所要模拟的实际施工中的夯锤重量以及二者的底部面积带入相关公式，得到计算出不同夯击能下模拟试验时的落距，待测试时使夯锤沿导轨自由落下，砸向底座，从而模拟夯击过程。
（2）夯击的土体采用重塑土，试验之前将土样烘干，然后通过土的物理性质试验测得土的最大干密度以及最优含水率，选取最优含水率附近的几组数值作为重塑土的含水率来进行土样制备。由于机场地基的填方土类型多为土石混填或者砂土，因此土样类别的选择则使用土石混填以及砂土，通过改变含水率以及土石比来设计不同的工况。
（3）夯击过程模拟则通过在平整好的场地上人工开挖的一个圆柱形土坑中进行，土坑深度为32 cm、直径为20cm，将制备好的土样分三次填装入土坑内，并控制好每一层的高度使之有一个初始的压实度。在填装过程中将每一层表面作拉毛处理，以避免出现分层现象，影响测试结果。
（4）土样填装好之后即可进行传感器布设，传感器采用光栅光纤加速度传感器。此类传感器有抗干扰能力强、精度高、灵敏度高等诸多优点。将传感器完全埋入土体，在传感器的四周设计夯击点，以便进行对照试验。传感器布设完成之后即可进行夯击，将夯锤抬升至一定高度，然后松开夯锤使之沿导轨自由下落，当夯锤冲击底座时会对坑内土体施进行夯击。在夯击的过程中，记录夯击引起的土体振动的加速度信号、夯击之后的单点夯沉量以及多次夯击完成后的累计夯沉量。夯击完成后，用环刀对被夯击的土体进行取样，测量并记录土体的压实度以及土体抗剪强度。
3 试验结果及分析
通过对不同含水率及不同类型的土样进行试验，得到相关规律如下：
1、随着夯击次数的增加，土体的压实度以及抗剪强度将不断增高，且加速度主频也不断增高，但当超过一定击次时增速将越来越少，直至到一定水平后保持不变；
2、对于不同含水率的土样，无论是土石比还是砂土，在同样的击数下总是最优含水率附近的土体的压实度以及加速度主频最高；
3、对比土石混填和砂土发现，在击数比较低的条件下，同样击数的土石混填的压实度要高于砂土，但当超过一定击数后，砂土的压实度会高于土石混填的压实度。
4 结论
通过对以上试验结果进行分析，说明土体的压实度与夯击产生的加速度信号主频有很大关联，并且对于不同的含水率和不同的土样类型，其相互对应的关系不尽相同，这说明这种关联具有适用性，可以通过更多的试验来建立更可靠的对应关系。因此可以确定将加速度信号与强夯法处理后土基的压实度之间建立联系是可行的，也就是说通过加速度信号来实现强夯法施工时夯击效果的实时反馈是可以实现的。
参考文献：
[1]Wetzel R A，Vey E.Axisymmetric Stress Wave Preparation in Sand [J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，ASCE，1970；
[2]费香择，王钊，周正兵，强夯加固深度的试验研究[J].四川大学学报：工程科学版，2002；
基金项目：
中国民航大学大学生创新创业训练计划项目（201710059068）；中国民航大学实验技术创新基金（2017SYCX17）；
作者简介：
蔡靖（1975-），女，河北人，副教授，现主要从事机场工程与场道工程研究。
关键词：强夯法；压实度；实时反馈
1 强夯法的特点及研究现状
近年来，随着我国“十三五”规划地有序开展，新建机场如雨后春笋般涌现，更有越来越多的机场正在建设当中。在机场建设过程中，最首要、也是最重要的工作就是跑道地基的处理，如果跑道的地基处理不当，那么将会直接影响到未来机场的运行，甚至给机场的安全带来隐患。跑道地基处理的方法有很多种，比如换填法、重锤夯实法、强夯法、振冲法、预压法等等，强夯法以其独特的优点成为了处理机场跑道地基最常用的几种方法之一。在强夯法施工过程中，判断夯击工作是否完成的依据是地基参数达到了一定标准。然而确定地基参数通常需要消耗大量的人力成本以及时间成本，所以确定夯击工作是否完成极不方便，通常都会选择多次夯击以保证土基达到相应强度，因此容易造成人力、物力的浪费。
关于强夯法处理后的地基参数检测问题，国内外已经有学者进行了研究，早在1970年，Wetzel[1]在尺寸长宽高均为120cm的立方体容器中分别装入不同类型的砂，通过在夯锤底部及砂土不同深度处安装加速度计，发现了砂土表面接触应力和深层土的应力分布随时间变化。还有比较经典的研究是Takada N团队做的强夯离心模型试验，该试验通过缩尺试验数据与现场夯击的数据作对比，发现夯实深度与锤击数的平方根、錘的动量成正比，与夯锤底的面积大小成反比。国内对于强夯法的系统性研究是从21世纪开始起步的。2002年，费香择[2]团队通过对黄土进行强夯法试验研究，得出了强夯法加固深度的计算公式；2017年，陈朋通过强夯室内模型试验，借助Matlab软件对加速度信号进行频谱分析，发现随着夯锤能级的提高，振动波主频频率逐渐变大且其它频率逐渐变多。然而众多研究没有从施工方角度出发，找出夯击效果与夯击次数之间的联系，对实际工程的指导意义不够明确，且截止目前，实际强夯工程中还没有一套成熟、完整的研究成果来支撑，往往通过经验来施工。因此本文决定设计模拟夯击试验，利用加速度光纤光栅传感器测量夯击过程中土体振动频率变化，寻找到夯击次数与土体振动频率的关系，从而将夯击次数与压实度进行关联，实现夯击效果的实时反馈。
2 试验设计
（1）为了模拟夯击过程，制作一个小型夯击装置来进行夯击操作，夯击装置由两部分组成：带有圆形底座的夯锤导轨和夯锤，其中导轨的底座直径为10cm，夯锤的重量为5kg。在实际施工过程中，夯锤的直径一般为1～3m，重量一般为10～25t。通过控制试验相似比，将夯锤的重量和所要模拟的实际施工中的夯锤重量以及二者的底部面积带入相关公式，得到计算出不同夯击能下模拟试验时的落距，待测试时使夯锤沿导轨自由落下，砸向底座，从而模拟夯击过程。
（2）夯击的土体采用重塑土，试验之前将土样烘干，然后通过土的物理性质试验测得土的最大干密度以及最优含水率，选取最优含水率附近的几组数值作为重塑土的含水率来进行土样制备。由于机场地基的填方土类型多为土石混填或者砂土，因此土样类别的选择则使用土石混填以及砂土，通过改变含水率以及土石比来设计不同的工况。
（3）夯击过程模拟则通过在平整好的场地上人工开挖的一个圆柱形土坑中进行，土坑深度为32 cm、直径为20cm，将制备好的土样分三次填装入土坑内，并控制好每一层的高度使之有一个初始的压实度。在填装过程中将每一层表面作拉毛处理，以避免出现分层现象，影响测试结果。
（4）土样填装好之后即可进行传感器布设，传感器采用光栅光纤加速度传感器。此类传感器有抗干扰能力强、精度高、灵敏度高等诸多优点。将传感器完全埋入土体，在传感器的四周设计夯击点，以便进行对照试验。传感器布设完成之后即可进行夯击，将夯锤抬升至一定高度，然后松开夯锤使之沿导轨自由下落，当夯锤冲击底座时会对坑内土体施进行夯击。在夯击的过程中，记录夯击引起的土体振动的加速度信号、夯击之后的单点夯沉量以及多次夯击完成后的累计夯沉量。夯击完成后，用环刀对被夯击的土体进行取样，测量并记录土体的压实度以及土体抗剪强度。
3 试验结果及分析
通过对不同含水率及不同类型的土样进行试验，得到相关规律如下：
1、随着夯击次数的增加，土体的压实度以及抗剪强度将不断增高，且加速度主频也不断增高，但当超过一定击次时增速将越来越少，直至到一定水平后保持不变；
2、对于不同含水率的土样，无论是土石比还是砂土，在同样的击数下总是最优含水率附近的土体的压实度以及加速度主频最高；
3、对比土石混填和砂土发现，在击数比较低的条件下，同样击数的土石混填的压实度要高于砂土，但当超过一定击数后，砂土的压实度会高于土石混填的压实度。
4 结论
通过对以上试验结果进行分析，说明土体的压实度与夯击产生的加速度信号主频有很大关联，并且对于不同的含水率和不同的土样类型，其相互对应的关系不尽相同，这说明这种关联具有适用性，可以通过更多的试验来建立更可靠的对应关系。因此可以确定将加速度信号与强夯法处理后土基的压实度之间建立联系是可行的，也就是说通过加速度信号来实现强夯法施工时夯击效果的实时反馈是可以实现的。
参考文献：
[1]Wetzel R A，Vey E.Axisymmetric Stress Wave Preparation in Sand [J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，ASCE，1970；
[2]费香择，王钊，周正兵，强夯加固深度的试验研究[J].四川大学学报：工程科学版，2002；
基金项目：
中国民航大学大学生创新创业训练计划项目（201710059068）；中国民航大学实验技术创新基金（2017SYCX17）；
作者简介：
蔡靖（1975-），女，河北人，副教授，现主要从事机场工程与场道工程研究。